선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 날개 끝의 레이크 길이와 날개 끝 형상을 달리 하여 그 성능을 비교해 보았다. 먼저 기존 블레이드와는 달리 0.
- 본 연구에서는 조류발전용 블레이드 날개 끝에 부드러운 형상의 레이크를 적용함으로써 날개 끝 보오텍스를 제어하여 효율을 증가 시키고, 이에 따른 소음·진동을 감소시킬 수 있는 가능성을 살펴보았다.
제안 방법
- 기준 블레이드(Standard)에 대한 성능해석을 수행하였다. 토크와 동력 계수를 통해 로터의 성능을 분석해 보았으며 그 식은 아래와 같다, (1)은 동력계수(CP)로 로터의 에너지 변환율을 나타내는 상수이며, 로터의 성능을 평가 할 수 있다.
- 기준 블레이드의 형상에 레이크를 적용한 블레이드 (Rake 1, 23)에 대한 성능해석을 수행하였다. 설계 유속인 2m/s에서의 발전 효율를 비교해 보았으며, 그 결과는 표 5에서 보여준다.
- 기준 블레이드의 형상에 레이크를 적용한 블레이드(Rake 1, 2, 3)에 대한 캐비테이션 성능해석을 수행하기위해 캐비테이션이 발생하기 시작하는 캐비테이션 초생을 관찰하였다. 이를 위해 캐비테이션 초생이 나타나는 hub immersion을 비교해 보았으며, 동일한 hub immersion에서의 표면 압력 분포를 관찰 하였다.
- 본 연구에서는 조류발전용 블레이드 날개 끝에 부드러운 형상의 레이크를 적용함으로써 날개 끝 보오텍스를 제어하여 효율을 증가 시키고, 이에 따른 소음·진동을 감소시킬 수 있는 가능성을 살펴보았다. 날개 끝 레이크의 모양을 변화시켜가며 날개끝 속도비(TSR)에 따른 효율을 비교하였으며 레이크를 주지 않은 블레이드와의 성능을 비교 검토하였다. 향후 최적화를 위한 파라미터를 도출하여 최적화된 날개 끝 레이크 형상을 찾을 예정이며, 본 연구를 통하여 기존의 임펠러보다 효율이 높고 소음 및 진동이 적은 새로운 HAT 임펠러를 개발할 수 있는 가능성을 보여 주었다고 생각된다.
- 95R에서부터 시작되는 45o의 레이크 각을 주고 레이크 길이는 블레이드 길이의 1%만큼 주었다(Rake 1). 두 번째로 레이크 길이에 대한 영향을 보기 위해 레이크 길이를 블레이드 길이의 2% 늘리고 레이크 각과 시작위치는 동일하게 설계 하였다(Rake 2). 세 번째로 팁의 형상에 대한 영향을 보기 위해 라운딩 처리하여 레이크를 주었고 레이크 길이와 시작위치는 Rake 2와 동일하게 하였다(Rake 3).
- 그림 8은 터빈 날개 주위의 비구조 격자 블록을 보여주고 있다. 비구조 격자 블록은 2개의 블록으로 이루어져 있어, 다른 날개에 대한 해석을 할 때는 실린더 모양의 날개와 가까운 블록에 대해서만 새로이 격자를 생성하여 해석 하였다.
- 두 번째로 레이크 길이에 대한 영향을 보기 위해 레이크 길이를 블레이드 길이의 2% 늘리고 레이크 각과 시작위치는 동일하게 설계 하였다(Rake 2). 세 번째로 팁의 형상에 대한 영향을 보기 위해 라운딩 처리하여 레이크를 주었고 레이크 길이와 시작위치는 Rake 2와 동일하게 하였다(Rake 3). Rake 1, 2, 3의 형상은 그림 3, 4와 같다.
- 기준 블레이드의 형상에 레이크를 적용한 블레이드(Rake 1, 2, 3)에 대한 캐비테이션 성능해석을 수행하기위해 캐비테이션이 발생하기 시작하는 캐비테이션 초생을 관찰하였다. 이를 위해 캐비테이션 초생이 나타나는 hub immersion을 비교해 보았으며, 동일한 hub immersion에서의 표면 압력 분포를 관찰 하였다.
- 풍력발전에서 사용하는 개념을 그대로 사용하고 있는 조류발전용 블레이드의 문제점 중 하나인 날개 끝 보오텍스에 의한 소음, 진동 및 효율 감소를 막기 위한 방안으로 날개 끝에 레이크를 적용하고 수치해석을 통해 분석해 보았으며, 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 기준 블레이드는 조류 발전에 관한 기존의 자료를 토대로 하였으며(Kim et al.[2010]), 블레이드의 효율을 고려하여 NACA63계열의 foil을 사용하였다.
- 72 RPM)를 가지며 회전한다. 터빈 주위의 블록은 비구조 격자를 사용하였고, 나머지 부분은 구조 격자를 사용하였다. 따라서 그림에 표시된 경계면에서 계산 값을 연결해 주기 위해 보간법을 사용하였으며 Interface조건을 사용하였다.
- 허브체결부의 형상은 흐름을 어느 정도 예측 가능한 조류의 특징을 고려하여 강도측면에선 우수하며 저항은 줄일 수 있는 장축:단축의 비가 2:1인 타원을 사용하였다. 블레이드의 설계제원은 표 1과 같고 표 2는 블레이드와 허브의 상세제원을 보여준다, 블레이드 형상 및 foil 형상은 그림 1, 2와 같다.
이론/모형
- [1995]). No-slip 조건이 적용되는 벽면 근처에서는 Kim and Choudhury(Kim et al.[1995])가 제안한 non-equilibrium wall function을 사용하였다.
- [1995]). 대류항의 이산화는 Second order upwind를 사용하였다. 점성모델은 realizable k-e모델이 사용되었다(shih et al.
- 터빈 주위의 블록은 비구조 격자를 사용하였고, 나머지 부분은 구조 격자를 사용하였다. 따라서 그림에 표시된 경계면에서 계산 값을 연결해 주기 위해 보간법을 사용하였으며 Interface조건을 사용하였다.
- 유동장의 해석을 위하여 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하였다. 셀 중심 유한체적기법(cell-centered finite volume method) 기반의 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)방정식을 사용하였고, 터빈의 회전을 위해서 MRF 방법을 사용하였다. 압력과 속도의 연계는 Weiss and Smith가 제안한 방법으로 연속방정식과 운동량 보존 방정식을 하나의 방정식으로 한 번에 푸는 방법을 사용하였다(Weiss et al.
- 셀 중심 유한체적기법(cell-centered finite volume method) 기반의 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)방정식을 사용하였고, 터빈의 회전을 위해서 MRF 방법을 사용하였다. 압력과 속도의 연계는 Weiss and Smith가 제안한 방법으로 연속방정식과 운동량 보존 방정식을 하나의 방정식으로 한 번에 푸는 방법을 사용하였다(Weiss et al.[1995]). 대류항의 이산화는 Second order upwind를 사용하였다.
- 유동장의 해석을 위하여 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하였다. 셀 중심 유한체적기법(cell-centered finite volume method) 기반의 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)방정식을 사용하였고, 터빈의 회전을 위해서 MRF 방법을 사용하였다.
- 대류항의 이산화는 Second order upwind를 사용하였다. 점성모델은 realizable k-e모델이 사용되었다(shih et al.[1995]). No-slip 조건이 적용되는 벽면 근처에서는 Kim and Choudhury(Kim et al.
- 회전하는 로터를 해석하기 위하여 MRF(Moving Reference Frame) 방법을 사용하였으며, 3개의 날개를 가지는 터빈을 해석하기 위해 120도에 해당하는 도메인을 구성하였다. 터빈의 지름을 기준으로 길이방향으로 앞쪽으로 3배, 뒤쪽으로 6배의 공간을 주었고, 폭 방향으로 3배의 공간을 주었다.
성능/효과
- Rake 1과 Rake 2의 결과를 비교해보면 레이크 길이가 긴 Rake 2가 Rake 1보다 효율이 더 좋게 나온 것을 알 수 있다. 이는 레이크 길이를 짧게 준 Rake 1이 날개 끝에서 발생하는 보오텍스를 제대로 막아주지 못하기 때문에 레이크 길이를 길게 준 것 보다는 효율증가가 낮은 것으로 판단되어진다.
- 이는 레이크 길이를 짧게 준 Rake 1이 날개 끝에서 발생하는 보오텍스를 제대로 막아주지 못하기 때문에 레이크 길이를 길게 준 것 보다는 효율증가가 낮은 것으로 판단되어진다. Rake 2와 Rake 3의 결과를 비교 해보면 날개 끝을 둥글게 처리한 Rake 3이 효율이 더욱 높게 나온 것을 알 수 있다. 이는 Rake 2의 경우 날개 끝의 절단면에서 압력이 급격히 떨어지면서 캐비테이션이 발생하였지만 Rake 3의 경우 날개 끝을 둥글게 처리해줌으로써 유체가 매끄럽게흘러나가면서압력이낮아지는것을막아준것으로판단되어진다.
- 그림 14, 15는 기준 블레이드와 효율이 가장 좋게 나온 Rake 3의 토크계수와 동력계수를 비교해 놓은 그래프이다. 전 TSR영역에서 Rake 3가 효율이 좋게 나왔으며, 특히 낮은 TSR영역에서는 회전능력 또한 크게 증가 하는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- - 본 연구를 통해 캐비테이션 초기발생 특성 관점에서 우수성을 확인할 수 있었으며, 레이크 길이에 따른 성능 최적화를 위해 더욱 다양한 모델에 대한 해석이 요구된다.
- - 실해역에서의 캐비테이션 발생 특성과 영향을 보기 위한 추가적인연구와정도높은효율검증을위해모형실험을수행할예정이다.
- 날개 끝 레이크의 모양을 변화시켜가며 날개끝 속도비(TSR)에 따른 효율을 비교하였으며 레이크를 주지 않은 블레이드와의 성능을 비교 검토하였다. 향후 최적화를 위한 파라미터를 도출하여 최적화된 날개 끝 레이크 형상을 찾을 예정이며, 본 연구를 통하여 기존의 임펠러보다 효율이 높고 소음 및 진동이 적은 새로운 HAT 임펠러를 개발할 수 있는 가능성을 보여 주었다고 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.